New Insights into Levodopa Neurotoxicity and Direct Alterations of the Central Energy Metabolism
Parkinson’s disease (PD) is the second-most abundant neurodegenerative disease, and PD patients have been medicated with levodopa (L-DOPA) for decades. Between 1990 and 2000, a lot of in vitro studies reported neurotoxic effects of the drug, but in vivo studies could never confirm these neurotoxic effects. As a result, L-DOPA remained the gold standard for PD medication. In this study, I investigated the effects of L-DOPA on the central energy metabolism of the LUHMES cell line. For this purpose, I first treated the cells with L-DOPA under normoxic conditions to compare the results with previous studies, which were almost always performed with other in vitro systems. I could confirm the neurotoxic effect of L-DOPA as well as the common mode of action, excessive reactive oxygen species (ROS) formation due to L-DOPA auto-oxidation and therefore several alterations of the central energy metabolism. Next, I minimized the impact of the auto-oxidation of L-DOPA by lowering the oxygen levels from atmospheric pressure to hypoxic conditions (2% O2), which also better reflected the low oxygen levels within the brain. Under these low oxygen tension conditions, L-DOPA auto-oxidation was heavily decelerated resulting in greatly decreased neurotoxicity. Further experiments revealed a double-edged effect of L-DOPA on intracellular ROS levels. Auto-oxidation of the drug result in increased ROS tension, but L-DOPA itself acts as a ROS scavenger. I further observed several alterations of the central energy metabolism induced by L-DOPA such as reduced respiration and impaired mitochondrial membrane potential. The use of stable-isotope labeling confirmed altered mitochondrial metabolism. A transcriptome analyses further revealed an altered gene expression of the calcium signaling pathway induced by L-DOPA. As a result, this study potentially represents an important part of LID research if these results can be confirmed in vivo.
Die Parkinson-Krankheit (PD) ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung, und PD-Patienten werden seit Jahrzehnten mit Levodopa (L-DOPA) behandelt. Zwischen 1990 und 2000 berichteten viele in vitro Studien über neurotoxische Wirkungen des Arzneimittels, welche jedoch nie durch in vivo Studien bestätigt werden konnten. Infolgedessen blieb L-DOPA der Goldstandard für PD-Medikamente. In meiner Thesis untersuchte ich die Auswirkungen von L-DOPA auf den zentralen Energiestoffwechsel der LUHMES-Zelllinie. Zu diesem Zweck habe ich die Zellen zunächst mit L-DOPA unter normoxischen Bedingungen inkubiert, um die Ergebnisse mit früheren Studien zu vergleichen, die fast immer mit anderen in vitro Systemen durchgeführt wurden. Ich konnte die neurotoxische Wirkung von L-DOPA sowie die gemeinsame Wirkungsweise, die übermäßige Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) durch die Autooxidation von L-DOPA, und damit verbunden mehrere Veränderungen des zentralen Energiestoffwechsels bestätigen. Im Anschluss minimierte ich die Auswirkungen der Autooxidation von L-DOPA, indem ich den Sauerstoffgehalt vom atmosphärischen Druck auf hypoxische Bedingungen (2% O2) senkte, was auch den niedrigen Sauerstoffgehalt im Gehirn besser widerspiegelt. Unter diesen niedrigen Sauerstoffbelastung wurde die Autooxidation von L-DOPA stark abgebremst, was zu einer stark verringerten Neurotoxizität führte. Weitere Experimente zeigten eine zweischneidige Wirkung von L-DOPA auf intrazelluläre ROS-Spiegel. Die Autooxidation von L-DOPA führt zu einer erhöhten ROS-Spannung, aber L-DOPA selbst wirkt als ROS-lindernd. Ich beobachtete weiterhin mehrere Veränderungen des zentralen Energiestoffwechsels, die direkt durch L-DOPA induziert wurden, wie etwa reduzierte Atmung und beeinträchtigtes mitochondriales Membranpotential. Die Verwendung von stabiler Isotopenmarkierung bestätigte einen veränderten mitochondrialen Metabolismus. Eine Transkriptomanalyse offenbarte zudem eine veränderte Genexpression des Calcium-Signalwegs, die durch L-DOPA induziert wurde. Infolgedessen stellt diese Studie möglicherweise einen wichtigen Teil der LID-Forschung dar, wenn diese Ergebnisse in vivo bestätigt werden können.
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